Развитие науки и техники насчитывает не одно тысячелетие. Этот процесс никогда не останавливался. Сменялись эпохи, совершенствовались орудия труда, появлялись науки, технические приспособления.
Но вместе с новыми технологиями появились новые проблемы, преследующие инновации на протяжении всего жизненного цикла. Над их решением инженеры бьются не одно столетие. Одна из таких — износ вследствие трения. Зачастую этим и обусловлено ограничение эксплуатации изделия. Полностью решить проблему трения пока не представляется возможным.
Возможен ли износ вычислительного блока процессора
Приходится использовать другие категории, когда речь заходит о полупроводниковой микроэлектронике. Как правило, изделия изнашиваются вследствие совершения механической работы. Но что же происходит в процессоре?
Полупроводниковый триод (транзистор)
Речь про транзисторы уже шла в статье "Почему машинный код нули и единицы", там же объяснялись их базовые принципы работы. Также было сказано, что транзистор выполняет роль своего рода выключателя. А далее хотелось бы подробнее остановится на принципах работы вычислительного блока процессора и непосредственно его основного элемента.
Наверняка у вас возникнет логичный вопрос: совершается ли в транзисторе механическая работа, для того чтобы замыкать или размыкать контакты? На самом деле не совсем так. Всё дело в свойствах полупроводников.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. И могут проводить электрический ток при определённых условиях.
При обычных условиях полупроводник ведёт себя как диэлектрик, но под воздействием электрического поля. Электроны способны двигаться по полупроводнику (в данном случае — кристаллическому кремнию). Такая проводимость называется «дырочной» (не смейтесь!).
На схеме наглядно показаны основные элементы транзистора, в частности, исток и сток, соединённые каналом, и затвор, на который периодически подаётся напряжение. Затвором генерируется электрическое поле в нужном количестве, чтобы электроны получили возможность двигаться по полупроводнику. Таким вот нехитрым образом отпадает потребность в механическом движении для полноценного функционирования полевого транзистора.
Чтобы продолжить, нам понадобится ещё одно понятие из физики:
Электрический ток — это направленное движение (под действием электрического поля) заряженных частиц (свободных электронов или ионов).
Давайте более подробно изучим процесс работы полевого транзистора и немного модернизируем принцип описанный в прошлой статье. Как выяснилось, при увеличении напряжения на затворе электрический ток (электроны) по полупроводнику (кремнию) двигаться уже не способен. «Дырочная» проводимость пропадает. Именно этот принцип используется в вычислительных ядрах процессора.
При этом один полный цикл полупроводникового триода называется «такт». А количество тактов за секунду называется тактовой частотой. Она, если вспомнить физику, измеряется в Герцах (Гц) — количествах колебаний за единицу времени (секунду).
Тактовая частота современных процессоров колеблется в пределах 1 – 5.2ГГц. Чтобы вы понимали, если 1Гц = 1 такт за 1 секунду, то 1ГГц = 1 000 000 000 тактов за тот же период. Представьте, что было бы, окажись в транзисторе движущиеся элементы?
На этом можно было бы подвести итог. Но с уменьшением техпроцесса открылась другая проблема: деградация кремниевого кристалла — электромиграция. Дело в том, что при больших токах происходит диффузия ионов металла из истока в канал. Соответственно, канал становится уже, требуется увеличение напряжения на затворе, чтобы транзистор мог остановить поток электронов и не давал осечку (они связаны с ошибками в коде из за которых происходит перезагрузка ПО или даже всей операционной системы). Это приводит к усилению электромиграции, и через некоторое время опять приходится поднимать напряжение на процессоре. И так по кругу. В конечном итоге в силу увеличения теплопакета процессора и критических показателей напряжения (выше 1.5 Вольт) придётся снижать частоту для стабильной работы. Из-за этого срок службы современных процессоров без замены блока охлаждения и снижения производительности (по причине вынужденного снижения частоты) составляет от 4 до 7 лет (в зависимости от активности работы).
Диффузия — процесс самопроизвольного перемешивания веществ.
Проблема проявилась при переходе от 32 к 22 нм. Сильнее всего это заметно в процессорах для ПК. Там частоты выше по сравнению с более компактными устройствами. Подробнее об этом вы можете прочитать тут. Хоть эти 10, 7 и 5 нм имеют мнимое отношение к длине затвора, не сложно догадаться, что эффект электромиграции в них будет происходить быстрее. Это продиктовано тенденцией уменьшения техпроцесса. Остается лишь надеяться, что инженеры к тому времени что-нибудь придумают.
И небольшой бонус: взгляните на поперечный срез процессора Apple A7, выполненного по нормам техпроцесса 28 нм:
Да, всё именно так! Сейчас производители под техпроцессом подразумевают всё что угодно, только не длину затвора транзистора: к примеру, с учётом того, что они в процессорах расположены в 3D, берётся площадь кристалла кремния (то есть 2D) и делится на их количество. При этом размеры полевого транзистора получаются в разы меньше реальных. Когда вам говорят, что новый процессор выполнен по техпроцессу 7 нм и чуть ли не вдвое лучше 10 нм, стоит относиться к этому с пренебрежением.
P.S. Это не последний материал по данной теме. К сожалению, проблемы современных процессоров на этом не заканчиваются. В следующей статье, возможно, подведём итог.
Внимание! На данный момент у нас идут последние приготовления по проработке вопросов финансового участия в проекте SFERA. Узнать подробности можно по адресу invest@sfera.zone.
Также продолжается работа над приложениями. Уже в августе владельцы Android и IOS смогут установить SFERA на свои устройства.
Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях:
Instagram: instagram.com/projectsfera
Facebook: facebook.com/projectsfera
Twitter: twitter.com/sferaproject
TikTok: tiktok.com/@project_sfera
OK: ok.ru/group/59219243368692
Обязательно для чтения:
Зачем нужна экосистема SFERA и какие возможности она предлагает.
